单片机口袋实验室的开发与实践应用

富雅琼 吴霞 陈锡爱 郑恩辉 王桂荣

摘 要： 针对目前单片机实践中存在的理论与实践衔接不连贯、技术更新滞后、实验地点和时间受到局限等问题，开发了模块化单片机口袋实验室套件。设计基于标准化接口的核心、基础及拓展实验等多种模块，利用可扩展的连接器构建基础、拓展实验项目，并针对课堂、实验和考核环节进行了与之相适应的探索。所开发的口袋实验室具有便携、灵活、可拓展等特点，将其应用于单片机实验后有效提高了实践效果，从而为进一步参加课程设计、课外科技活动甚至参加工程项目奠定基础。

关键词： 单片机; 口袋实验室; 基础实验; 拓展实验; 课堂应用; 实践教学

中图分类号： TN99?34; TP368.1 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）12?0040?04

Abstract： In allusion to the problems such as the incoherence of theory and practice， lag of technology updating， and site and time limitations of the experiment existing in the current SCM practice， a modularized SCM pocket laboratory suite is developed. Multiple modules such as the core module， basic experiment module， and extensional experiment module based on the standard interface are designed. The basic and extensional experiment projects are constructed by using the extensible connector， and the corresponding research is conducted for the links of classroom， experiment and assessment. The developed pocket laboratory has the characteristics of portability， flexibility and extensibility， and can efficiently improve the practical effect after being applied in the SCM experiment， which lays a foundation for further participation in the course design， extracurricular technology activities， and even engineering projects.

Keywords： SCM; pocket laboratory; basic experiment; extensional experiment; classroom application; practical teaching

单片机是现代电子控制的基本技术[1]，是电气信息类本科专业重要的专业基础课之一[2?4]。虽然理论与实践相结合是单片机教学的重要特征，但实际效果受到各种限制。仿真技术的应用[5?6]、项目驱动方法[7?8]以及实验教具的创新[9?10]等手段都是改善单片机实践效果的有效途径。笔者结合多年单片机与课外科技活动指导经验，设计开发了基于STC51单片机的模块化口袋实验室套件，并将其应用于单片机课堂、实验及考核环节中，取得了较好的效果。

1 单片机实践现状分析

传统单片机理论教学在课堂进行，讲授单片机结构、指令系统、外设接口等;实验在机房的实验箱上完成。这种模式的问题有：

1） 理论课只讲不做、实验课只做不讲，当实验排课滞后时，理论知识学习与实践环节衔接断档，而使得学生不能够趁热打铁巩固知识。

2） 传统单片机实验箱的优点是“大而全”，虽能开设不少数量的实验项目，但形式固化，且5～10年才报废更换一轮，不利于学生接触新技术和创新实践。

3） 利用实验箱开展的项目受地点、时间局限，在题目设置上也较难发挥。以两课时实验项目为例，一般学生也只能完成单个功能或百行左右代码的编写调试，无暇思考程序框架设计、实时性设计等，其实践能力的提升受到限制。

为了应对上述单片机实践所存在的问题，本文开发了模块化单片机口袋实验室，并以其为基础展开一系列探索。

2 单片机口袋实验室设计

2.1 口袋实验室设计指导思想

口袋实验室开发目标：

1） 促进理论与实践的衔接。既能用于常规实验，也便于理论课堂中演示和互动，帮助学生更顺畅地完成由理论知识向实验操作的迁移。

2） 提高实验项目的可拓展性。允许教师以较小成本对改进教具或增加新技术和新项目。

3） 延展实验空间与时间。让学生能在课堂外的时间和地点实践，从而将实验与课后练习相贯通，进而布置有一定复杂程度的实践项目。

基于以上目标，口袋实验室的结构如图1所示。

套件包括三部分：

1） 核心模塊。包含用于连接各模块的连接器板、单片机最小系统和仿真下载电路。

2） 基础实验模块，实现外部中断、LED、数码管、矩阵键盘、A/D?D/A、UART等常规单项功能，用于课堂和基础实验。

3） 拓展实验模块。结合专业特色开发了如寻迹/避障小车、温度变送器、TEC控制器等多个拓展功能模块，用于开放实验项目、课程设计、课外科技竞赛培训等。

连接器板和各模块间采用了统一的安装接口，使其具有高度的灵活性。不同模块可相互替换和搭配，从而组合出更复杂的实验项目。

2.2 核心模块设计

所有实验可通过在核心模块的基础上叠加其他模块来构成。

基于STC51单片机的最小系统和仿真下载电路被设计在同一块PCB板上。最小系统包括STC51单片机插槽、复位电路、晶振电路以及P0口外部上拉电路。最小系统可兼容从STC89C51到STC15F2K61S2等多个系列的STC51单片机型号。一般提供IAP15F2K60S2作为实验用单片机，这款单片机不仅具有大容量FLASH ROM和RAM、3组16位定时器、2组UART、10位A/D、PWM等功能，还提供了IAP在线仿真调试功能。

核心模块提供了USB仿真下载电路供电和外部供电两种方式，可以在在线和离线两种调试方式下使用。

STC系列单片机采用串口方式下载程序，因此设计了基于CH340芯片的板载USB转串口下载电路。MicroUSB接口使得学生可用易获取的手机数据线进行程序的下载或仿真。

连接器是如图2b）所示的184 mm×130 mm大小的PCB板，与一般32开本图书尺寸相同，便于携带。连接器板上设置了四组完全相同且相连的插槽，可在任意插槽上安装实验模块。

连接器板上四组插槽可以满足绝大部分实验的需求。為了进一步提高可扩展性，在连接器板两侧设计了基于9001?18481COOA板对板接插口，以满足级联扩展的需要。

2.3 基础实验模块设计

基础实验模块用于辅助课堂教学和常规实验。共设计了五个模块以满足常见需求，其功能和对应的实验项目见表1。

2.4 拓展实验模块设计

拓展实验模块用于开放实验项目、课程设计、课外科技竞赛培训等。已开发的包括寻迹/避障小车、超级电容充放电器、热电偶变送器、TEC温度控制、直流电机控制等多个拓展实验模块。如图3所示。

拓展实验模块分两类：一类是完全兼容连接器板的模块，如热电偶变送模块，将其安装到连接器板上，配合最小系统和LCD模块等即可开展实验; 另一类需要更多外部器件配合，如寻迹/避障小车是按照连接器板的标准设计了小车形状的连接器底板，以及符合安装标准的电机驱动和路径检测模块，将拓展模块和最小系统板安装在小车上即可进行实验。

由于有统一接口标准，教师设计新实验项目时不需要重新开发全部电路，只需要按照接口标准开发新增功能模块，再利用连接器板和原有的模块即组合成新的实验。

3 基于口袋实验室的环节设计

3.1 口袋实验室在课堂中的应用

口袋实验室套件的核心和基础实验模块会按照1∶1的比例在学期初发放给学生。课堂中，允许2～3名同学为一组携带一台笔记本电脑，并提前向学生发放当堂例程代码。课堂讲解例程后，学生可将例程编译、下载至单片机中。通过当堂观察例程的效果，学生有更明显的参与感。

口袋实验室还用于课堂互动。以定时/计数器为例：讲解寄存器和工作模式之后，课堂上给出定时器实现LED闪烁的例程。经分析后先让学生下载程序、观察现象。然后提出要求，将闪烁频率增至原来的两倍。这个题目只需将例程代码中定时器初值部分进行两行修改。但是通过互动，学生能够当堂巩固知识点，并得到及时反馈。这类环节设置也使得课堂气氛更为活跃。

3.2 口袋实验室在实验环节中的应用

只要在自己的电脑中安装Keil等软件，再配备一根手机数据线，学生即可进行单片机程序的设计与调试。在普通机房、多媒体教室甚至学生寝室都可以进行实验。

由于口袋实验板允许实验在实验课堂外完成，因此在题目的设计上就突破单个功能验证的限制。随着课程推进，通过叠加功能的方式能让学生逐步接触到复杂程序的设计。

例如针对外部中断、定时计数器、数码管显示这三项实验内容，如图4所示，每个实验在保留前面实验功能的基础上再加入新的实验要点，最终做成一个秒表。将前几个元素简单叠加并不能够得到最终结果，只有采用时间片轮询等合理框架对数码管动态刷新、计时数值刷新和按键检测等任务进行协调，才能够完成实验。

通过对实验所涉及知识点的合理安排，使学生循序渐进地理解单片机开发更多的工程问题与解决方法，最终完成从简单程序到复杂工程设计的理念蜕变。

由于部分实验项目是学生课后完成，减弱了教师对实验过程的把控。为了减少抄袭现象，需要对实验代码进行重复率检查。Dick Grune发布的SIM等免费软件可以作为代码检测的工具。

3.3 口袋实验室在考核环节中的应用

口袋实验室的低成本还解决了学生数和教具数配比不足的问题，这就允许以更灵活多样的形式开展实践能力考核。笔者自2013年起使用口袋实验室，逐步探索出口袋实验室与开放实验室相结合的考核方式。

通过对口袋实验室所具备的基础功能和拓展功能进行组合，设计出一套用于实验考核的题库。在学期后期，每周固定时间开放实验室，学生通过网上系统预约考试。考核评分依据包括：功能的实现程度、程序设计思路、代码规范性等。近两年还放宽了学生预约考核的次数限制，即学生对前期考核结果不满意时，经过加强复习后再次预约考试，从而提高了学生自主参与实践的积极性。

4 评估与讨论

笔者于2016—2017学年度对其中一个自然班进行了问卷调查，针对口袋实验室在实践教学中的效果，学生匿名评价的统计如图5所示。

由此可见口袋实验室获得学生的认可并取得了积极效果。近年来，本专业在学生课外科技活动上也取得了较大进展，在智能车竞赛、机器人竞赛等活动中获得国家、省级奖项多项，从另一个侧面反映了单片机实践的成效。

5 结 语

本文开发的单片机口袋实验室套件经过多年的持续改进及应用探索，在课堂、实验和考核等环节中都有效地支持了单片机工程开发能力培养的目标，为学生今后进一步参加课程设计、课外科技活动甚至参加工程项目奠定了基础。

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